陈艳梅，牟献友，成兰艳，李春江

(1. 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古呼和浩特 010018； 2. 内蒙古巴彦淖尔市临河区水务局，内蒙古巴彦淖尔 015000)

近年来，随着桥梁建设的迅猛发展，桥梁水毁事故不断增加。2013年6月，四川德阳市双凤桥被洪水冲垮，河水把第2个桥墩冲垮，桥梁断成了两截，呈“V”字形倒在河床上。同年7月，因暴雨导致河流湍急，四川江油市青莲大桥亦被冲垮。桥墩遭受冲刷是发生水毁的主要原因之一[1]。多年以来，很多水利水运工程领域专家学者都在不断深入研究桥墩局部冲刷的发展过程，包括冲刷时水流结构的变化以及水力特性的变化等等，如果能准确掌握这些变化因素，就能有效减小桥墩冲刷，防止水毁事故的发生。单个桥墩水流结构包括桥墩前部的下降水流、下部的马蹄形漩涡、前边的表层旋滚和下游的激发漩涡[2]。其中，下降水流是引起桥墩冲刷的主要原因。

环翼式桥墩防冲刷的基本原理就是利用环翼式挡板阻挡下降水流，使下降水流向桥墩两侧分流，减小对桥墩的正面冲刷。张万锋等[3]研究了由不同数量的挡板组成环翼式桥墩的防冲刷效果，得出挡板数量多少对桥墩局部冲刷影响相差不大。成兰艳等[4-5]研究了环翼式桥墩单个挡板的防冲刷效果，得出了环翼式桥墩挡板的最佳位置和最佳尺寸。本文在此基础上进一步研究环翼式桥墩不同挡板形状的垂向水力特性。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

本试验主要在一矩形玻璃水槽中进行，水槽长2 000 cm，宽50 cm，高90 cm，人工调整底坡坡降为1.24‰，试验水温T=18～20℃，水的密度ρ=998.255 kg/m3，运动黏滞系数γ=1.046 6×10-6m2/s。试验段为动床，铺砂长500 cm，厚21 cm。由于水、沙的相互作用，冲刷深度随着时间的推移不断发生变化，一段时间过后，冲刷趋于稳定。为保证桥墩冲刷更贴近实际和试验数据的准确性，每次试验前将砂床面铺平，再放水浸泡2 h直至冲坑达到稳定状态。试验时，采用IFM4080K型电磁流量计测量流量，通过上游的流量调节阀控制流量，通过下游出口的尾门控制水深，采用JS-B型精密水位仪测量水位，采用小威龙vertric+型流速仪测量流速。试验系统布置见图1。

试验过程中所采用的动床材料是均匀砂，平均粒径为0.55 mm，桥墩模型由内径为45 mm的PVC饮水管制成，挡板是用板前端为45 mm的PVC板制成的半圆形挡板，板尾端宽度分别为45，23和0 mm，由此形成了3种规格挡板，分别为A1，A2和A3，见图2。

(a) A1 (b) A2 (c) A3 图1 环翼式桥墩试验系统布置 图2 环翼式桥墩不同挡板形状外形设计参数(单位： mm) Fig.1 Experimental system arrangement for the ring-wing bridge pier Fig.2 Design parameters of the ring-wing bridge pier (unit: mm)

1.2 试验方法

本试验挡板置于水深的1/3处，流速分别为70，90和110 m3/s，对应水深分别为12，16和20 cm，挡板形状分别为无挡板，A1，A2，A3，根据正交试验设计原则，共设计12个工况。

试验测点布置见图3，即试验设置4个断面，每个断面有7条测线，每条测线布置5个测点。

(a) 测点平面布置(单位：mm) (b) 测点垂向布置图3 各断面测点布置Fig.3 Layout of measuring points

2 试验结果及其分析

2.1 垂向流速的变化

由于环翼式挡板阻挡的是下降水流，在桥墩局部冲刷过程中，主要减小的是垂向流速。本试验测得5个断面上的垂向流速，测线1，2，3与测线7，6，5(以测线4为中心线)对称，因此，仅分析流量为70 m3/h时Ⅱ-Ⅱ断面上测线1，2，3，4的流速分布。不同挡板形状时垂向流速分布见图4。

(a) 无挡板 (b) A1 (c) A2 (d) A3图4 不同挡板形状垂向流速分布Fig.4 Vertical velocity distributions caused by different baffle shapes

由图4可见：(1)无挡板时，测线1，2的垂向流速变化都不大，测线3，4的垂向流速随着测点高度与水深比值的增大而减小，最大值出现在河床底部，即近底垂向流速最大，最小值出现在水流近表面处。这是因为河流中增加桥墩，水流必定会发生变化，而且测线1，2距桥墩的距离比测线3，4远，所以测线1，2处水流受到的影响小，水力参数变化不大。(2)与无挡板相比，测线1，2的垂向流速变化都不大，这是因为测线1，2在挡板侧面，受挡板影响较小。(3)与无挡板相比，测线3，4的垂向流速整体减小，近底垂向流速减小程度更大，这是因为形状为A1，A2，A3的3种挡板影响了垂向流速，尤其是近底垂向流速。(4)无论挡板为哪一种形状，测线4即桥墩中心线的垂向速度在安放挡板位置处有拐点，这是因为水流受到挡板的阻挡，流速急剧增大，但是挡板下面的水流流速又较小，所以会产生拐点。

图5 不同挡板形状近底垂向流速分布Fig.5 Velocity distributions near bottom caused by different baffle shapes

以上分析表明，无论什么形状的挡板都会减小桥墩附近的垂向流速，尤其是近底垂向流速。再进一步分析近底垂向流速，不同挡板形状近底垂向流速分布见图5。

从图5可见：无论是否加挡板，无论挡板是哪种形状，测线1，2的近底垂向流速变化范围不大，加挡板与无挡板相比只是略有增加；与无挡板相比，挡板形状为A1，A2时测线3的近底垂向流速明显减小，挡板形状为A3时测线3的近底垂向流速反而有增加；与无挡板相比，任何形状挡板的近底垂向流速都明显减小，挡板形状为A1时减小程度最大。

2.2 紊动宽度

自然界和工程中的大部分流体流动都属于紊流。在复杂的水流中建桥，必然会形成船只航行的不安全区域[6]。从船舶和桥梁的安全考虑，桥渡航道的边线宜布置在该紊流宽度以外[7]。因此，需要进一步研究紊流宽度。

胡旭跃等[8]根据水流表层漩涡情况确定了桥墩紊流宽度，即总紊流强度极大值出现位置离桥墩的距离，得到了顺直水槽单个圆柱形桥墩两侧水流表层漩涡区宽度与弗劳德数Fr(0.14～0.40)的相关关系[9]。

(1)

式中：B为紊流宽度；D为桥墩宽度；B/D为相对紊流宽度。

图6 不同挡板形状相对紊动宽度分布Fig.6 Relative turbulent width distributions caused by different baffle shapes

不同挡板形状相对紊动宽度分布见图6，由图可见：(1)与无挡板相比，加上挡板之后的紊动宽度都有了不同程度的增加，挡板形状为A1时增加得最大，A2次之，A3最小，这是因为挡板的大小影响了水流的紊动，挡板尾端宽度越大，影响水流紊动宽度就越严重。(2)与无挡板相比，挡板形状为A1、A2和A3时紊动宽度分别增加了5.7%，3.7%和2.6%，总体增加程度不大。可见，桥墩冲刷对紊流宽度影响较小，试验结果与文献[9]结论一致。

2.3 垂向紊动强度

3种环翼式挡板形状对紊流宽度的影响较小，为进一步了解水流紊动的强度，需研究表层垂向紊动强度和近底垂向紊动强度。垂向紊动强度的计算式为：

(2)

由图7(a)可见：(1)无论是否设挡板，随着测点到桥墩中心距离的增大，表层垂向紊动强度越来越大，靠近水槽边壁的表层垂向紊动强度最大，这是因为水流受到水槽边壁粗糙度的影响；(2)与无挡板相比，设挡板之后的测线1，2的表层垂向紊动强度增大， A1的增大程度最小，测线3，4的表层垂向紊动强度减小， A1的减小程度最大。由图7(b)可见：(1)无挡板时，近底垂向紊动强度与测点到桥墩的距离成正相关关系，即测点到桥墩中心的距离越大，近底垂向紊动强度越大。(2)无论是否设挡板，近底垂向紊动强度的最小值都出现在桥墩中线上，最大值都出现在靠近边壁的测线上。(3)设A1，A2两种形状挡板时，近底垂向紊动强度均减小，A1减小程度较A2大，这是因为受到环翼式挡板影响的结果。

(a) 表层垂向紊动强度 (b) 近底垂向紊动强度图7 不同挡板形状各测线垂向紊动强度Fig.7 Vertical turbulence intensities caused by different baffle shapes

3 数值模拟

紊流是极其复杂的水流。紊流的瞬时特性不规则、无法描述，而且还有很强的随机性，因此很难获得紊流流动结构及动量、热量、物质输运过程等信息，更不容易进行预测。

随着计算机技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于现有流动理论的CFD软件。CFD软件是专门用来进行流场分析、计算和预测的软件，可分析并显示发生在流场中的现象。

3.1 建立控制方程

控制方程是利用数学语言对守恒定律进行描述。假定流体是由无限个连续不断的流体质点组成，质点间不存在间隙，流体的宏观物理量就可以表示成空间坐标和时间的连续函数，进而描述和分析流体的平衡运动规律[10]。

式中：ΓΦ为广义扩散项；SΦ为广义源项。

3.2 确定初始条件及边界条件

(1)进口边界：进口边界设在上游，分为两部分， 上半部分是气体进口，设为压力进口条件；下半部分是水流进口，设为流速进口条件。一般情况下，湍流动能k和湍流能量耗散率ε可按下式[11]粗略计算：

(4)

(2)出口边界：出口边界设在水槽下游，边界条件为压力出口，并且所有变量(除压力外)沿流动方向的梯度为0。

(3)壁面边界：采用无滑移边界条件。

3.3 划分计算网格

网格划分越细，计算收敛精度越高。本试验的数值模拟主要是针对桥墩周围的水流结构变化，所以在桥墩周围20 cm之内用三角形网格，其他部位采用规则的四边形网格(见图8)。

(a) 数值计算圆柱周围网格 (b) 数值计算流场整体网格图8 数值计算网格划分Fig.8 Numerical calculation meshes

3.4 模型验证

不同挡板形状对应的垂向速度矢量分布见图9。由图9可见，在铅垂方向上，水流在桥墩迎水面形成壅流和下降水流。设挡板后，在挡板处水流垂向流速先增大后减小，这是由于挡板阻碍了下降水流。挡板形状为A1时，下降水流的近底垂向流速减小程度最大。将不同挡板形状各测线垂向流速实测值与模拟值进行对比(图10)，可见两者吻合较好。

(a) 无挡板 (b) A1

(c) A2 (d) A3图9 不同挡板形状对应的垂向速度矢量Fig.9 Vertical velocity vector diagrams vs. different baffle shapes

(a) 无挡板 (b) A1 (c) A2 (d) A3图10 不同挡板形状各测线垂向流速实测值与模拟值对比Fig.10 Vertical velocity comparison between the measured and simulated results of different baffle shapes

4 结 语

试验研究了环翼式桥墩不同挡板形状时的垂向水力特性，并借助CFD软件进行数值模拟分析，得出以下结论：

(1)与无挡板相比，任何形状挡板的近底垂向流速都明显减小，挡板形状为A1时减小程度最大；

(2)3种形状挡板对水流紊动宽度的影响都不大，其中挡板形状A1影响最大但也仅增加了5.7%；

(3)挡板形状A1近底垂向紊动强度减小程度最大；

(4)不同挡板形状各测线垂向流速实测值与模拟值的比较表明，两者吻合较好。

参 考 文 献：

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